EP0929818A1 - Elektrische schaltung zur ermittlung eines laststroms - Google Patents

Elektrische schaltung zur ermittlung eines laststroms

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EP0929818A1
EP0929818A1 EP97941850A EP97941850A EP0929818A1 EP 0929818 A1 EP0929818 A1 EP 0929818A1 EP 97941850 A EP97941850 A EP 97941850A EP 97941850 A EP97941850 A EP 97941850A EP 0929818 A1 EP0929818 A1 EP 0929818A1
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current
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freewheeling
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit for determining the load current of a clocked, at least one inductive load having the type of the main claim.
  • the output stage has at least one output stage transistor which is in series with a series resistor, so that the voltage drop across the series resistor can be used as a measure of the current flowing through the output stage. Since the load has an inductive component, a free-wheeling circuit is assigned to it, which means that the load current can continue to flow via the free-wheeling circuit if - due to the clocked operation - the connections supply voltage is interrupted. Since the freewheeling circuit is directly parallel to the load and the series resistor is connected in series, the series resistor cannot measure the load current, but only the supply current, i.e. the current flowing in the freewheeling circuit is not recorded, which leads to inaccuracies.
  • the freewheeling current can be used as a measure for determining the load current.
  • the arrangement of the shunt in the freewheeling circuit means that the series connection of a freewheeling element, for example a freewheeling diode, and the shunt is parallel to the load and that the supply voltage is parallel to the load, the supply voltage being clocked to the load by means of a suitable switch, for example a transistor is created. This makes it possible, with knowledge of the duty cycle D, to determine the motor current I M from the freewheeling current I p determined.
  • the shunt is in series with the load and that the freewheeling circuit is arranged in parallel with the series connection of load and shunt.
  • the supply voltage is parallel to the series connection of load and shunt.
  • the resistance of the shunt is selected to be much smaller than the ohmic component of the load.
  • the pulse duty factor is defined by the quotient of the load voltage, in particular motor voltage, and the supply voltage.
  • the dimensioning is preferably chosen such that the load current, in particular motor current, continues to flow at the same or almost the same amount during the freewheeling time; it passes the free wheel circuit.
  • FIG. 1 shows a circuit for determining a load current
  • FIG. 2 shows a further circuit for determining a load current
  • FIG. 3 shows a diagram of the shunt voltages according to the circuits of FIGS. 1 and 2,
  • Figure 4 is a diagram of the power losses in the shunt according to the circuits of Figures 1 and 2 and
  • Figure 5 is a diagram of the power losses in the shunt according to the circuits of Figures 1 and 2 with a square load characteristic.
  • FIG. 1 shows a circuit 1 which has a supply voltage U ⁇ which can be applied to a load 2 via a switch S.
  • the switch S can be implemented, for example, by an output stage transistor.
  • the load 2 has an ohmic and an inductive component.
  • the ohmic component is identified by the resistance R A and the inductive component by the coil L A.
  • the load can be formed, for example, by an electric motor, in particular a permanently excited direct current motor.
  • the supply current Ig flows in the supply line 3 (for example in the area of the supply Line 3 between the one pole of the supply voltage U ß and the switch S).
  • the load voltage lies across the load 2, ie above the series connection of the resistor R and the coil L '; in the present case the motor voltage U ⁇ .
  • a freewheeling circuit 4 Parallel to the load 2 is a freewheeling circuit 4, which has a freewheeling element F, which allows the freewheeling current to pass in only one direction.
  • the freewheeling element F is designed as a freewheeling diode.
  • a shunt S H in the freewheeling circuit 4 which is designed as an ohmic resistor R s .
  • the series connection of freewheeling element F and shunt Su is parallel to the series connection of resistor R and coil L A of load 2.
  • the freewheeling current Ip flows, which leads to a voltage drop across the shunt S H , namely Shunt voltage U RS .
  • the motor voltage U M thus forms the mean value of the voltage present at the load 2, the supply current I ⁇ the mean value of the current drawn from the supply, the motor current I M the mean value of the motor current and the freewheeling current Ip the mean value of the freewheeling current.
  • the resistance R s of the shunt S H is selected such that it is negligibly small compared to the ohmic resistance R A of the load 2.
  • the voltage drop across the freewheeling element F that is, across the freewheeling diode, is also negligible.
  • the output stage works in continuous operation, that is, for a duty cycle greater than zero, the load current, that is to say the motor current I M , is also greater than zero at all times. Values between 0 - 1 can be assumed as the duty cycle the, wherein the duty ratio D is formed by the quotient of the motor voltage U M and the supply voltage U B or by the quotient of the supply current I g to the motor current I M.
  • the load current (motor current I M ) can be determined from the freewheeling current I F according to the following relationship
  • FIG. 2 shows a further circuit according to the invention.
  • a supply voltage U B which supplies a supply current I ⁇ , via a switch S, which in turn acts as an output stage transistor can be formed on a series circuit 5, which is formed by the ohmic component (resistor R A ), the inductive component (coil L A ) of the load 2 and the shunt STT, that is, the resistor R g .
  • the motor voltage U M drops at the load 2 and the voltage U RS drops at the shunt S H.
  • the freewheel element F is therefore connected in parallel to the series circuit 5, which is formed by the resistor R A , the coil L, and the resistor R g .
  • the freewheel element F is closed and the switch S is open, the freewheeling current I F flows in the freewheeling circuit.
  • FIGS. 3 to 5 show diagrams which show certain parameters of the circuits of FIGS. 1 and 2, the index “1” for the circuit of FIG. 1 and the index “2” for the circuit of FIG. 2.
  • the duty ratio D is plotted on the abscissa of FIG.
  • the ordinate shows the voltage at the shunt after the circuit of FIG. 1 or FIG. 2, normalized to the maximum value U RS 1. It should be noted that for the same maximum power loss, the resistance R gl of the shunt of the circuit of FIG. 1 ⁇ m the factor 16 can be selected larger than the resistance R S2 of the shunt of the circuit of FIG. 2, which results in a signal swing that is four times larger.
  • FIG. 4 shows the course of the power losses in the resistors Rg and Rg 2 ⁇ e ⁇ shunts S H after the circuits in FIGS. 1 and 2.
  • the duty cycle D is on the abscissa and the power loss P RS1 and P RS2 on the ordinate, respectively normalized to the maximum value P R g ⁇ _. It is clear that the maximum power loss in the object of FIG. 1 is lower by a factor of 16 than in the object of FIG. 2.
  • FIG. 5 shows a diagram in which the duty ratio D is again shown on the abscissa and the power losses corresponding to FIG. 4 are shown on the ordinate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Ermittlung des Laststroms einer getaktet angesteuerten, zumindest einen induktiven Anteil aufweisenden Last, der ein Freilaufkreis zugeordnet ist, wobei die Schaltung einen Shunt aufweist, dessen Spannungsabfall zur Stromermittlung herangezogen wird. Es ist vorgesehen, daß der Shunt (SH) im Freilaufkreis (4) zur Ermittlung des Freilaufstroms (IF) angeordnet ist, der als Maß für die Bestimmung des Laststroms (Motorstrom IM) herangezogen wird. Ferner kann nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, daß der Shunt in Reihe zur Last liegt und daß der Freilaufkreis parallel zu der Reihenschaltung von Last und Shunt angeordnet ist.

Description

Elektrische Schaltung zur Ermittlung eines Last- strorns
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Ermittlung des Laststroms einer getaktet angesteuerten, zumindest einen induktiven Anteil aufweisenden Last nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Bekannt ist es, mittels einer getaktet arbeitenden Endstufe eine Last zu versorgen, die neben einem ohmschen auch einen induktiven Widerstandsanteil aufweist. Die Endstufe weist mindestens einen Endstufentransistor auf, der mit einem Serienwiderstand in Reihe liegt, so daß der Spannungsabfall am Serienwiderstand als Maß für den durch die Endstufe fließenden Strom herangezogen werden kann. Da die Last einen induktiven Anteil aufweist, ist ihr ein Freilaufkreis zugeordnet, das heißt, daß der Last- strom über den Freilaufkreis weiterfließen kann, wenn -aufgrund des getakteten Betriebs- die Verbin- dung zur Versorgungsspannung unterbrochen ist. Da der Freilaufkreis direkt parallel zur Last liegt und hierzu in Reihe der Serienwiderstand geschaltet ist, kann der Serienwiderstand nicht den Laststrom, sondern nur den Zuleitungsstrom messen, das heißt, der im Freilaufkreis fließende Strom wird nicht erfaßt, was zu Ungenauigkeiten führt.
Vorteile der Erfindung
Wird der ein Shunt bildende, zur Stromermittlung herangezogene Widerstand im Freilaufkreis angeordnet, so daß er den Freilaufström ermittelt, so kann der Freilaufstro als Maß für die Bestimmung des Laststroms herangezogen werden. Die Anordnung des Shunts im Freilaufkreis bedeutet, daß parallel zur Last die Reihenschaltung eines Freilaufelementes, beispielsweise einer Freilaufdiode, und des Shunts liegt und daß die Versorgungsspannung parallel zur Last liegt, wobei mittels eines geeigneten Schalters, beispielsweise eines Transistors, die Versorgungsspannung getaktet an die Last angelegt wird. Hierdurch wird es in Kenntnis des Tastverhältnisses D möglich, aus dem ermittelten Freilaufstrom Ip den Motorstrom IM zu ermitteln. Es ist ferner möglich, daß der Shunt in Reihe zur Last liegt und daß der Freilaufkreis parallel zu der Reihenschaltung von Last und Shunt angeordnet ist. Die Versorgungsspannung liegt parallel zur Reihenschaltung von Last und Shunt. Durch diese Anordnung fließt der Last- strom, also der Motorstrom IM, durch den Shunt und während der Freilaufphase fließt der Freilaufstrom Ip durch den Shunt, so daß eine präzise Messung möglich ist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Last ein Elektromotor, insbesondere ein permanent erregter Gleichstrommotor ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand des Shunts sehr viel kleiner als der ohmsche Anteil der Last gewählt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Tastverhältnis definiert ist durch den Quotienten der Lastspannung, insbesondere Motorspannung, und der Versorgungsspannung.
Die Dimensionierung ist vorzugsweise derart gewählt, daß während der Freilaufzeit der Laststrom, insbesondere Motorstrom, in gleicher oder fast gleicher Höhe weiterfließt; er passiert den Freilaufkreis.
Insbesondere ist vorgesehen, daß der Motorstrom aus der Beziehung
Λ \ - D
bestimmt wird. Dies gilt für die Lösung nach Anspruch 1 und auch für die Lösung gemäß Anspruch 2.
Für die Ausgestaltung nach Anspruch 1, also der Anordnung des Shunts im Freilaufzweig, gilt die Beziehung
Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Schaltung zur Ermittlung eines Last- stroms,
Figur 2 eine weitere Schaltung zur Ermittlung eines Laststroms,
Figur 3 ein Diagramm der Shunt-Spannungen nach den Schaltungen der Figuren 1 und 2 ,
Figur 4 ein Diagramm der Verlustleistungen im Shunt nach den Schaltungen der Figuren 1 und 2 und
Figur 5 ein Diagramm der Verlustleistungen im Shunt nach den Schaltungen der Figuren 1 und 2 bei quadratischer Lastkennlinie.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Figur 1 zeigt eine Schaltung 1, die eine Versorgungsspannung Uß aufweist, die über ein Schalter S an eine Last 2 angelegt werden kann. Der Schalter S kann beispielsweise durch einen Endstufentransi- stor realisiert werden. Die Last 2 weist einen ohm- schen und einen induktiven Anteil auf. Der ohmsche Anteil ist mit dem Widerstand RA und der induktive Anteil durch die Spule LA gekennzeichnet. Die Last kann beispielsweise von einem Elektromotor, insbesondere einem permanent erregten Gleichstrommotor, gebildet sein. In der Zuleitung 3 fließt der Ver- sorgungsstro Ig (zum Beispiel im Bereich der Zu- leitung 3 zwischen dem einen Pol der Versorgungsspannung Uß und dem Schalter S) . Über der Last 2, also über der Reihenschaltung von dem Widerstand R, und der Spule L», liegt die Lastspannung; im vorliegenden Fall die Motorspannung U^. Parallel zur Last 2 liegt ein Freilaufkreis 4, der ein Freilaufelement F aufweist, das den Freilaufstrom nur in einer Richtung passieren laßt. Insbesondere ist das Freilaufelement F als Freilaufdiode ausgebildet. Ferner liegt im Freilaufkreis 4 ein Shunt SH, der als ohmscher Widerstand Rs ausgebildet ist. Die Reihenschaltung aus Freilaufelement F und Shunt Su liegt parallel zur Reihenschaltung vom Widerstand R, und Spule LA der Last 2. Im Freilauf reis 4 fließt bei leitendem Freilaufelement F der Freilaufstrom Ip, der zu einem Spannungsabfall an dem Shunt SH fuhrt, nämlich zur Shunt-Spannung URS .
Grundsatzlich sei erwähnt, daß alle Strom- und Spannungsangaben Mittelwerte darstellen. So bildet die Motorspannung UM den Mittelwert der an der Last 2 anliegenden Spannung, der Versorgungsstrom Iß den Mittelwert des von der Versorgung entnommenen Stroms, der Motorstrom IM den Mittelwert des Mo- torstroms und der Freilaufstrom Ip den Mittelwert des FreilaufStroms. Es gelten folgende Voraussetzungen: Der Widerstand Rs des Shunts SH ist derart gewählt, daß er gegenüber dem ohmschen Widerstand RA der Last 2 vernachlässigbar klein ist. Auch ist der Spannungsabfall über dem Freilaufelement F, also über der Freilaufdiode, zu vernachlässigen. Ferner arbeitet die Endstufe im kontinuierlichen Betrieb, das heißt, für ein Tastverhältnis größer Null ist der Laststro , also der Motorstrom IM, zu jedem Zeitpunkt ebenfalls größer Null. Als Tastverhältnis können Werte zwischen 0 - 1 angenommen wer- den, wobei das Tastverhaltnis D vom Quotienten der Motorspannung UM und der Versorgungsspannung UB gebildet ist oder vom Quotienten des Versorgungsstrom Ig zum Motorstrom IM.
Da wahrend der Freilaufphase, also wenn sich der Schalter S in Offenstellung befindet, der Motorstrom IM weiterfließt, gilt für den Freilaufstrom
Somit kann in Kenntnis des Tastverhaltnisses D aus dem Freilaufstrom IF der Laststrom (Motorstrom IM) nach folgender Beziehung ermittelt werden
/ l M„ = 1-D
Für die Schaltung der Figur 1 (für die der Index "1" verwendet wird) gilt für die Verlustleistung im Shunt
= {IM{ -D))2- RSI
Die Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltung. Hier liegt wiederum eine Versorgungsspannung UB, die einen Versorgungsstrom Iß liefert, über einen Schalter S, der wiederum als Endstufen- transistor ausgebildet sein kann, an einer Reihenschaltung 5, die von dem ohmschen Anteil (Widerstand RA) , dem induktiven Anteil (Spule LA) der Last 2 und dem Shunt STT, also dem Widerstand Rg , gebildet ist. An der Last 2 fallt die Motorspannung UM und an dem Shunt SH die Spannung URS ab. Parallel zur Reihenschaltung 5 liegt der Freilaufkreis 4, der ein Freilaufelement F aufweist. Das Freilaufelement F ist also parallel zu der Reihenschaltung 5 geschaltet, die von dem Widerstand RA, der Spule L, und dem Widerstand Rg gebildet ist. Im Freilaufkreis fließt bei geschlossenem Freilaufelement F und geöffnetem Schalter S der Freilaufstrom IF.
Die Verlustleistung des Shunts der Schaltung der Figur 2 ergibt nach folgender Beziehung
In den Figuren 3 bis 5 sind Diagramme dargestellt, die bestimmte Parameter der Schaltungen der Figuren 1 und 2 zeigen, wobei der Index "1" für die Schaltung der Figur 1 und der Index "2" für die Schaltung der Figur 2 gilt. Auf der Abszisse der Figur 3 ist das Tastverhaltnis D abgetragen. Auf der Ordinate ist die Spannung am Shunt nach der Schaltung der Figur 1 beziehungsweise der Figur 2 wiedergegeben, normiert auf den Maximalwert URS1. Es ist zu beachten, daß für dieselbe maximale Verlustleistung der Widerstand Rgl des Shunts der Schaltung der Figur 1 um den Faktor 16 großer wahlbar ist als der Widerstand RS2 des Shunts der Schaltung der Figur 2, was einen viermal so großen Signalhub zur Folge hat.
Die Figur 4 zeigt den Verlauf der Verlustleistungen in den Widerstanden Rg-, und Rg2 ^eΞ Shunts SH nach den Schaltungen der Figuren 1 und 2. Auf der Abszisse ist das Tastverhaltnis D und auf der Ordinate die Verlustleistung PRS1 beziehungsweise PRS2 jeweils normiert auf den Maximalwert PRgη_ dargestellt. Es wird deutlich, daß die maximale Verlustleistung beim Gegenstand der Figur 1 um den Faktor 16 geringer ist als beim Gegenstand der Figur 2.
Die Figur 5 zeigt schließlich ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse wiederum das Tastverhaltnis D und auf der Ordinate die Verlustleistungen entsprechend der Figur 4 dargestellt sind. Das Diagramm der Figur 5 gilt für Lasten mit progressiver Kennlinie IM = f(UM). Liegt beispielsweise eine quadratische Lastkennlinie IM = k'UM vor, so wie sie beispielsweise etwa einer Lüfterkennlinie entspricht, so ergeben sich die ersichtlichen Kennlinienverläufe. Es wird deutlich, daß die Verlustleistung im Shunt SH bei der Freilaufmessung gemäß Figur 1 um den Faktor 45 geringer ist als bei der Schaltung nach Figur 2.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Schaltung zur Ermittlung des Last- stro s einer getaktet angesteuerten, zumindest einen induktiven Anteil aufweisenden Last, der ein Freilaufkreis zugeordnet ist, wobei die Schaltung einen Shunt aufweist, dessen Spannungsabfall zur Stromermittlung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt (SH) im Freilaufkreis (4) zur Ermittlung des Freilaufstroms (Ip) angeordnet ist, der als Maß für die Bestimmung des Laststroms (Motorstrom IM) herangezogen wird.
2. Elektrische Schaltung zur Ermittlung des Laststroms einer getaktet angesteuerten, zumindest einen induktiven Anteil aufweisenden Last, der ein Freilaufkreis zugeordnet ist, wobei die Schaltung einen Shunt aufweist, dessen Spannungsabfall zur Stromermittlung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt (SH) in Reihe, zur Last (2) liegt und daß der Freilaufkreis (4) parallel zu der Reihenschaltung von Last (2) und Shunt (S„) angeordnet ist.
3. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß das Tastverhaltnis (D) der getakteten Ansteue- rung herangezogen wird.
4. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (2) ein Elektromotor, insbesondere ein permanent erregter Gleichstrommotor ist.
5. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Rg) des Shunts (STT) sehr viel kleiner als der ohmsche Anteil (Widerstand RA) der Last (2) gewählt ist.
6. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhaltnis (D) definiert ist durch den Quotienten der Lastspannung, insbesondere Motorspannung (UM) , und der Versorgungsspannung (Uß) .
7. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dimen- sionierung derart, daß wahrend der Freilaufzeit der Laststrom, insbesondere Motorstrom (IM) , in gleicher oder fast gleicher Hohe weiterfließt.
8. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorstrom (IM) aus der Beziehung
M \ - D
bestimmt wird.
9. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorstrom (IM) aus der Beziehung
bestimmt wird, wobei URS1 die elektrische Spannung am Shunt, RS1 der Widerstandswert des Shunts und D das Tastverhaltnis ist.
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